The impact of bioavailability limitations on microbial stable isotope fractionation in a multiphase system

Stable isotope fractionation analysis of contaminants is a promising method for assessing biodegradation of contaminants in natural systems. However, standard procedures to determine stable isotope fractionation factors, so far, neglect the influence of pollutant bioavailability on stable isotope fractionation. On a microscale, bioavailability may vary due to the spatio-temporal variability of local contaminant concentrations, limited effective diffusivities of the contaminants and cell densities, and thus, the pollutant supply might not meet the intrinsic degradation capacity of the microorganisms. The aim of this study was to demonstrate the effect of bioavailability on the apparent stable isotope fractionation, using a multiphase laboratory setup. The data gained show that the apparent isotope fractionation factors observed during biodegradation processes depend on the amount of biomass and/or the rate of toluene mass transfer from a second to the aqueous phase. They indicate that physico-chemical processes need to be taken into account when stable isotope fractionation analysis is used for the quantification of environmental contaminant degradation.

Stabiilien isotooppien fraktioitumisen analyysi saasteista on lupaava menetelmä biohajoamisen arviointiin luonnossa. Kuitenkin tähänastiset standardimenetelmät tarvittujen fraktiointitekijöiden määrittämiseen eivät ota huomioon saasteiden biosaatavuuden vaikutusta stabiilien isotooppien fraktioitumiseen. Mikroskaalassa biosaatavuus voi vaihdella paikallisten konsentraatioiden, efektiivisten diffusiteettien ja solutiheyksien muutosten myötä. Tästä johtuen saasteen biosaatavuus ei välttämättä vastaa mikro-organismin sisäistä kykyä hajottaa sitä. Työn tarkoituksena oli osoittaa tämä biosaatavuuden vaikutus havaittavaan isotooppien fraktioitumiseen. Työ tehtiin laboratorio-olosuhteissa multifaasisysteemissä. Biohajoamisprosessin aikana määritetyistä fraktiointitekijöistä huomattiin niiden riippuvuus sekä biomassan määrästä että tolueenin massansiirrosta faasien välillä. Näistä havainnoista voitiin sitten päätellä että fysikaalis-kemikaaliset prosessit täytyy ottaa huomioon kun kvantitatiivisesti määritetään saasteiden hajoamista ympäristössä stabiilien isotooppien fraktioitumisanalyysin avulla.